我國天然橡膠林養分管理研究現狀

趙春梅 王文斌 茶正早

(1 中國熱帶農業科學院橡膠研究所/中國熱帶農業科學院土壤肥料研究中心 海南海口 571101;2 農業農村部橡膠樹生物學與遺傳資源利用重點實驗室/省部共建國家重點實驗室培育基地-海南省熱帶作物栽培生理學重點實驗室 海南?？?571101)

天然橡膠是一種世界性的大宗工業原料，具有工業品和農產品的雙重性質，是世界各國國防和經濟發展不可或缺的戰略物資。天然橡膠種植分布于亞洲、非洲、大洋洲、拉丁美洲40 多個國家和地區，東南亞是全球天然橡膠的主產區，其中亞洲天然橡膠產量約占全球產量的93%。我國既是天然橡膠主產國之一，也是天然橡膠最大消費國。2019 年末，全國橡膠種植面積115.2 萬hm2，居世界第3位，占世界面積的7.5%。近年國內天然橡膠消費量平均仍以每年30 萬t 左右的速度持續增長，2019 年消費量達到550 萬t，預計將繼續增長。目前我國天然橡膠仍呈現自給率下降，進口依存度高的態勢。據預測，未來10 年，我國仍然是天然橡膠消費量和進口量最大的國家。為了防范市場風險、加強我國天然橡膠供應，早在2003年原農業部提出國際合作發展天然橡膠產業的對策，我國農墾等國有企業通過“走出去”已經在東南亞和少數非洲國家建設工廠和膠園。2012 年，國家倡導“一帶一路”政策，我國開始與沿線天然橡膠生產國加強多方面合作，擴大境外天然橡膠生產面積，進一步穩固國家天然橡膠資源。為了保障國內天然橡膠的自主和安全供給，提高國內天然橡膠自給率，2017 年我國劃定海南、云南和廣東為天然橡膠生產保護區，以鞏固和穩定國內天然橡膠生產能力。受國際膠價低迷影響，近年國內天然橡膠種植熱情不高，膠園棄割、棄管或改種等現象日趨嚴重。由于長年連作、粗放經營，橡膠人工群落單一等因素導致膠園肥力持續下降、水土流失增加、生物多樣性降低等問題日益凸顯。國家開始鼓勵生態植膠模式建設，發展橡膠人工林復合體系，加強林下資源利用，提高膠園經濟效益和生態效益。在此背景下，本文主要從養分的生理特性、生態特征、研究方法以及生產管理等方面綜述了橡膠林養分資源管理及研究現狀，并對新形勢下橡膠林養分資源管理與研究方向提出了展望，以期為我國天然橡膠林產業可持續健康發展提供參考。

1 橡膠樹養分生理學研究

1.1 砧木與接穗

芽接是當前栽培種植材料的主要繁殖方式。砧木作為芽接樹的重要組成部分，優良砧木材料是芽接樹速生高產的基礎，砧木與接穗的親合力對嫁接后營養物質運輸和生長生理特性起到關鍵性作用。橡膠樹砧木的選育研究一直得到重視，通過優良砧木來改進橡膠樹種植材料是橡膠芽接樹膠乳產量再現新高的一條重要途徑。研究發現，產量越高的橡膠樹其砧木膠乳中各種養分含量也越高，超高產橡膠樹砧木中干物質含量、總固形物、硫醇、糖的含量均極顯著高于高產樹和一般單株［1-2］，礦質養分在砧木不同部位和位置的含量水平和分布也有明顯的差異［3］；同時，砧木與接穗嫁接之間的親合力大小也直接影響著橡膠樹的營養生長、排膠特性、抗性、養分利用等特征，即親合性越好，砧穗之間的物質交換及分配越協調、通暢，反之亦然［4］。

1.2 品種遺傳

除砧木與接穗外，品種是對橡膠樹營養生長和排膠生產起決定性作用的遺傳限制因子。我國植膠區自然環境條件復雜，選擇和培育出適合我國植膠環境的高產品種是植膠業的根本。目前國內已成功選育出高產抗性兼優的橡膠品種30多個，大面積推廣的有PR107、RRIM600、熱研7-33-97、云研73-46、云研77-2、云研77-4、GT1、海墾1、大豐95 等品系。有關這些品種的研究大多集中在產量和排膠生理特性等方面，對不同品種之間橡膠樹養分含量研究較少，見報道的僅有PR107、RRIM600、熱研7-33-97 品系橡膠樹的養分比較研究［5-8］。近年來國內橡膠樹遺傳育種取得顯著成果，陸續研制出了許多高產抗性木材等兼優新品種，進一步開展對這些新品種的養分利用研究，有利于我國天然橡膠產量增加和品質提升。

1.3 樹體器官

養分吸收與利用主要靠根系、葉片、樹枝、樹干、樹皮等樹體器官。橡膠樹根系由主根和側根組成，側根大多以數量龐大的細根來吸收水分與養分。橡膠根系在土壤剖面上的分布與養分具有一致性，通常表現為土壤上層根系多、養分含量高，下層根系少、養分含量低的規律。試驗證明通過施肥、覆蓋、間作等措施可以調控膠樹根系分布，提高根系活性，進而促進養分吸收與利用［9-10］。葉片作為橡膠樹光合作用器官，其養分含量大體上高于其它器官。在一年中橡膠葉片養分含量整體呈下降趨勢，7～9 月最接近年平均值，因此葉片營養被作為早期橡膠樹營養診斷施肥的最佳標準，后來與土壤養分相結合，成為國內主要采用和普遍推廣的施肥手段［11］。膠乳作為橡膠樹的割膠產物，也會帶走部分養分，從而影響橡膠樹樹體的養分平衡。據研究，不同割膠制度都將導致橡膠樹體的不同礦質營養元素的流失，并且不同膠乳的產量、品質與養分含量之間都存在密切關系［12-13］。在樹木營養器官氮素貯藏機制的研究中，國內Tian［14］發現樹木中具有特殊生物活性的營養貯藏蛋白質及其季節變化模式，這些發現突破了人們對樹木營養器官季節性貯藏氮化物認識的傳統觀念，為發展林木的合理施肥技術提供了重要理論基礎。

2 橡膠林養分生態特征研究

橡膠林養分循環過程先由根系從土壤中吸收養分，經樹體存留大部分養分后，再通過枯落物、降雨淋洗等途徑歸還一部分養分到土壤中，割膠、采果、揮發、徑流等又將少部分養分輸出到系統外，最后通過人工施肥等措施向膠園輸入養分。因此，橡膠林養分循環主要發生在土壤、樹體、凋落物等主要養分庫之間，并與大氣、水體、肥料等外界環境進行養分交換。

2.1 土壤養分庫

土壤養分庫占橡膠林生態系統總養分貯量的90%以上。土壤養分含量的影響因素主要包括成土母質、pH、土壤理化性狀、肥料類型等。成土母質是土壤形成的物質基礎，決定了土壤礦物質的成分和養分狀況。由于生物氣候和長期耕作等原因，逐步弱化了因母巖成分不同而造成的土壤肥力差異。我國在種膠多年后，雖然橡膠產量得到了大幅度提高，但是卻以大量消耗土壤養分為代價。據測定，33 a的生長周期內，橡膠樹生長和產膠消耗的養分：N、P、K、Mg 分別為2 282.9、401.6、1 695.4、496.1 kg/hm2［15］。多年來長期持續割膠和施肥不足等造成的土壤肥力下降問題日趨明顯。早在1977、1987 和1998 年，云南西雙版納膠園養分調查分析發現，土壤全氮含量下降了0.023～0.033 個百分點［16］。2005 年中國熱帶農業科學院橡膠研究所對海南、云南、廣東3大墾區膠園土壤進行測評，與20 世紀七八十年代相比，膠園土壤肥力急劇下降、酸化趨勢明顯［17］。后來在PR107、RRIM600、熱研7-33-97 品系橡膠林養分循環與養分平衡研究中發現［18］，除幼齡外，其他年齡段的膠園土壤養分都處于虧缺狀態，特別是氮素虧損最多。近年來膠園土壤酸化、土壤淋溶、肥力下降等環境問題日益嚴重，已經受到植膠部門的重視，進行土壤改良、改變耕作方式、保持土壤肥力將是實現橡膠產業可持續發展的一件刻不容緩的任務。

2.2 凋落物養分庫

凋落物是橡膠林生態系統養分循環的重要養分庫和土壤自然肥力的重要來源。橡膠林枯葉生物量為2 357.7（4 a）～7 392.3（24 a）kg/hm2，是枯枝的1.5～8.2 倍；枯葉養分歸還量為147.4～498.6 kg/hm2，是枯枝的6.8～37 倍［19］。隨著樹齡的增長，橡膠林枯枝落葉的凋落量也逐年增長，這種規律是幼林向成林發展過程的總趨勢?？葜?、落葉覆蓋地表后減少了地表徑流對土壤的侵蝕和水分蒸發，其分解過程影響著養分循環的速率與周期。任泳紅等［20］研究了西雙版納橡膠多層林的凋落物量季節變化規律以及林地殘留物現存量及分解規律，表明凋落物分解95%所需時間約為1.33 a。楊曾獎等［21］研究了凋落物分解規律，發現N、K、Mg 分解釋放效率較快，而P、Ca 較緩慢。趙春梅等［22］對橡膠林枯枝、枯葉分解中氮素含量及氮素釋放的變化規律研究時發現，枯葉分解主要表現為氮素凈釋放，枯枝分解在不同月份會發生氮素富集現象。近期有研究表明，凋落物對調節土壤pH 值有顯著作用，可以促進膠園土壤肥力提升和環境改善［23］。

2.3 微生物養分庫

微生物參與了土壤發生、發展、發育的全過程，在維持生態系統整體服務功能方面發揮著重要作用。土壤微生物不僅是有機質轉化與養分元素循環的轉化器，同時也是土壤活性養分的重要來源。早在20 世紀60 年代初期，我國在土壤生物固氮、土壤根瘤菌等方面的微生物研究已經接近或達到當時國際先進水平。進入21 世紀后，土壤微生物學研究重新得到了不同領域、學科的高度關注。我國橡膠領域的微生物研究起步較晚，主要以土壤微生物量碳為主。橡膠林土壤微生物量不僅具有隨土層增加而下降的垂直分布特性［24］，還表現出不同的水平變化規律，傳統膠園中土壤微生物量碳與離樹的距離呈正相關，全周期膠園中土壤微生物量碳與離樹的距離呈負相關［25］。據調查，我國膠園土壤微生物量碳24.2～869 mg/kg，整體處于中等低下水平，海南普遍偏低，廣東屬于中等水平，云南屬于較高水平［26］。研究表明，施肥、間作等不同耕作方式對膠園土壤微生物量都會產生影響，如氮肥能增強土壤微生物活性［27］，化肥也會對土壤微生物產生毒害作用［28］，膠園間作可以明顯增加土壤微生物量［29］等等。

3 橡膠養分研究方法

3.1 分析手段

分析測試是科學研究的手段和基礎，在農林業領域多以土壤農化分析為主。膠園土壤農化分析主要包括土壤分析、植物分析、肥料分析以及膠乳測定等內容。國外馬來西亞最早對膠園土壤和葉片養分進行測定分析。我國原華南熱作研究院橡膠栽培研究所也較早對橡膠樹葉片進行養分測定與營養診斷分析［30］，之后國內學者們陸續對膠園土壤農化的測定方法做了大量研究與不斷創新［31-33］。近年來，隨著技術進步和設備更新，許多大型分析測試儀器如同位素質譜儀、全自動凱氏定氮儀、AA3 型連續流動分析儀等在橡膠養分測試分析工作中得以廣泛使用，既擴大了測試范圍，也提高了分析精準度，而且在數據自動化處理過程中大大提高了工作效率。特別是穩定同位素質譜儀在科研上的應用［34-36］，使得同位素示蹤技術在國內農林業養分循環研究中發揮了重要作用。

3.2 數量模型

早在20 世紀60 年代，橡膠領域內開始出現數學學科交叉。1965 年馬來西亞科學家肖羅克斯（Shorrocks）首次建立了橡膠樹地上部分生物量與樹圍的冪函數回歸方程，80 年代，我國橡膠專家開始建立橡膠生物量測定的數學表達式及數學模型［37-38］。隨著計算機技術的發展與應用，數學模型與系統模擬發展成為了橡膠林養分循環研究的熱點和新方法。學者們先后建立了預報橡膠產量的灰色系統GM（1.1）模型［39］、膠園生產動態管理SD 模型［40］、橡膠林氮素循環模擬模型［41］、光合與干物質積累模擬模型［42］、橡膠樹3-PG 生長模型［43］以及基于養分循環的膠園生產診斷施肥模型［44］和基于GIS 的橡膠樹養分信息管理系統研究［45］等，這些數量模型研究不僅體現了我國橡膠林養分研究方法的進步和水平的提升，也為將來橡膠林實現養分數字化、信息化管理奠定了理論基礎。

3.3 信息技術

現代信息技術的應用促使了橡膠林施肥管理向精準化、信息化方向發展。地理信息技術和傳統土壤、葉片營養診斷技術相結合，體現了我國橡膠林施肥管理技術的一大進步。目前，中國熱帶農業科學院橡膠研究所已完成這方面的研究，將現代信息技術與傳統施肥技術結合，借助地理信息系統、全球定位系統和遙感等技術，建立精準施肥信息系統并實現在橡膠生產上的應用與推廣［46］。該研究與橡膠樹傳統施肥相比，具有數量精、位置準、決策快、肥效高的特點，革新了橡膠樹施肥機制，達到國際領先水平。近年，隨著通信網絡的完善以及智能手機的普及，基于微信公眾平臺的橡膠樹栽培技術服務系統研究為微信用戶提供資訊和服務平臺，也體現了我國橡膠信息技術的發展與創新［47］。

3.4 生物技術

微生物生物技術是生物工程的核心技術，在新品種培育、促進養分循環和減少環境污染方面發揮重要作用。隨著基因工程、基因重組等生物技術的日益成熟，特別是免培養分子生物學技術如高通量測序等技術的普及，使得微生物生物技術在農林業領域的應用越來越廣泛。近年來，穩定性同位素示蹤和新一代高通量測序等先進技術已經成為我國土壤微生物功能研究的新手段。國內在橡膠領域較早報道了貝氏固氮菌的固氮作用及其在橡膠樹根際和土壤中的存活情況［48］，之后研究了橡膠樹體內分離內生真菌［49］和叢枝菌根真菌［50］。近些年，隨著生物技術的發展與應用，出現了利用BIOLOG ECO、磷脂脂肪酸、高通量測序等技術分析土壤微生物細菌、真菌的大量報道［51-54］。土壤微生物具有龐大的基因庫，其潛在功能還未充分挖掘，結合現代生物技術，進一步深入探索橡膠林土壤功能微生物，將為以后天然橡膠及其他領域生產發揮重要作用。

4 橡膠林管理

4.1 割膠制度

割膠生產已成為一套比較完善的技術在橡膠生產上廣泛應用了一個多世紀。但長期頻繁割膠尤其是大量使用乙烯利刺激劑，導致橡膠樹病害、死皮等現象發生，限制了橡膠樹正常生長與高產排膠，發生這些問題的原因可能與養分需求不足直接有關。據研究，割膠不僅排出大量膠水，同時流失大量營養物質，生產上又連年施用乙烯利刺激割膠增加了樹體對土壤養分的需求［13］。割膠制度與膠園土壤管理技術的長期不配套，導致了土壤養分大量流失、土壤肥力下降等嚴重問題日益加劇。天然橡膠林是一種開放型人工經濟林，依靠長年持續割膠獲得經濟效益的同時，也需要給予相應的養分補償，才能保持天然橡膠生產可持續發展。

4.2 施肥管理

我國橡膠樹營養與施肥研究先后經歷了6個階段［55］：第一階段，自20世紀50年代初起，在土壤農化研究工作開始后10 年間，主要對華南墾區進行土壤肥力類型劃分，并開展單質肥料和肥料配比早期試驗；第二階段，20 世紀60 年代至80 年代初，開展橡膠樹葉片營養診斷研究，對診斷指標、采樣時期、施肥量計算等都進行了系統研究；第三階段，20 世紀80 年代至90 年代初，開展我國植膠區土壤類型、膠園土壤養分狀況及土壤肥力變化情況等方面的普查和施肥研究工作；第四階段，20 世紀90 年代，主要進行肥料養分配比和橡膠樹專用復合（混）肥的研制；第五階段，將現代信息技術與傳統施肥技術結合，借助地理信息系統、全球定位系統和遙感技術等，開展橡膠樹精準施肥技術研究與應用；第六階段，2005 至2015 的10年間，主要基于GIS技術，以土壤母質類型和降雨量為依據，結合地力分區（級）配方法和葉片營養診斷技術，進行橡膠樹測土營養診斷配方施肥研究，并制定出橡膠園施肥新配方。后來國內開始了橡膠專用緩控釋肥的研究與探索，通過控制肥料釋放速率來提高養分利用率［56］。當前橡膠新品系培育、割膠制度更新、林下間作多種模式發展等對原有施肥管理提出了新要求，以往施肥方式已經與橡膠林新的生產方式不相匹配［57］。探索新背景下橡膠林養分需求規律，構建膠園施肥新配方、新方法，將是今后橡膠林養分資源管理研究的重要方向。

4.3 栽培模式

膠林間作是早期經過生產實踐提出的橡膠林復合生態種植模式［58］。目前已經發展了茶葉、砂仁、咖啡、胡椒、巴戟、木薯、香蕉、益智、花卉、牧草以及姜科、豆科等多種作物—橡膠林下間作模式。全周期種植是橡膠林發展的一種新型栽培模式，林下土地可以長期間作農作物。近年來，國內橡膠林下經濟產業發展得到重視和推廣，學者們也開始對間作膠林土壤微環境如土壤肥力、酶活性、微生物以及植物多樣性等方面展開大量研究［29，59-62］，結果表明橡膠林下間作對改善土壤微環境、維持生態平衡都起到了很好的促進作用。受作物種類、種植年限、時期等因素影響，不同作物與膠樹互作對土壤養分與肥力的影響各不相同，同一種間作模式對土壤養分和肥力的影響規律也有差異，但就其作用機理還有待進一步研究［62］。

5 展望

以往橡膠樹養分研究大多是通過不同品種、樹齡、樹體器官的養分含量來評價養分利用效率，缺乏對樹體養分的生理性研究，倘若以根系與土壤間的信息傳遞為基礎，結合現代分子生物技術，開展橡膠樹品種間養分利用效率的基因型差異和根際微生態類型等分子生物研究，根際微生態系統中養分的遷移、轉化和吸收機理研究，以及橡膠根系—冠間的信息傳遞對橡膠樹養分利用效率的調控機制等生理學研究，將有助于進一步揭示橡膠樹養分高效利用的生理機制。

近年來國內膠園單一種植、頻繁割膠、化肥多施引起土壤退化、肥力下降、生物多樣性降低、病蟲害增加等報道頻頻出現。這些問題迫切需要改變原有傳統生產方式，重視發展橡膠林新型栽培模式如全周期模式、復合生態系統模式等等，保持橡膠林生產、生態協同發展。林下作物種植不僅能改善膠園土壤生態環境，也會積累固定相當一部分養分，復合橡膠林生態系統養分循環是在土壤庫、間作庫、膠樹庫、凋落物等四大養分庫之間發生內循環，并與外界環境進行物質交換和能量流動。因此，以往基于不同割膠、施肥、栽培措施的養分管理決策系統研究對今后探索橡膠林養分外循環具有重要意義。重新探究復合橡膠林生態系統養分循環內在和外在的復雜規律，將是今后發展新種植模式橡膠林養分資源管理的必然需求。

我國橡膠施肥研究已有半個多世紀。一方面，從早期土壤勘察到中期土壤普查再到后期測土配方調查，積累了大量土壤和葉片養分基礎數據；另一方面，從早期肥效試驗到中期葉片營養診斷再到后期橡膠專用復合（混）肥研制，以及橡膠樹精準施肥管理系統構建，為橡膠生產施肥管理做出了較大貢獻。但在生產中長期采用人工取土、挖穴、溝施、撒施肥料等傳統方法，消耗了大量人力和時間成本，極大程度限制了膠園施肥管理技術的發展。重視采樣與施肥方法的現代化創新，同時實施土壤養分與施肥動態監測，采用無人機施肥等機械化耕作，有利于促進橡膠產業向現代農業方向發展與進步。